基于Labview的虚拟示波器的设计论文初稿.doc

基于Labview的虚拟示波器的设计摘要 本文介绍了一种新型的示波器：虚拟示波器。虚拟示波器是虚拟技术的一种具体应用。该示波器基于计算机平台,将虚拟仪器硬件和软件紧密结合，实现比传统仪器更强大的功能。虚拟示波器系统由数据采集、数据分析和结果输出显示三个主要功能部分组成。其中，数据分析和结果输出显示完全由计算机软件系统来完成，只有数据采集是在软件的控制下由硬件来完成。本文主要完成对软件系统的设计。软件利用美国NI公司推出的LabVIEW图形编程语言，采用模块化的软件设计思想编写。本设计示波器主要由数据采集、参数测量和波形存储和读取模块组成。它的主要性能指标是双通道波形显示，波形可存储读取，以及电压、时间、频率等参数的测量，充分发挥了计算机强大的功能和软件设计的灵活性。硬件采用的是阿尔泰PCI2003数据采集卡，此卡基于PCI总线。它的分辨率是12位，采样速率是100kHZ。关键词 示波器 虚拟仪器 数据采集 LabVIEW Based on the Labview virtual oscilloscope designAbstract This paper introduces a new type of oscillograph:Virtual oscillograph. It is a kind of appilication of VI technology.This oscillograph is based on computer ,it combines the virtual instruments hardware with software close to realize the stronger function than traditional instrument. The virtual oscillograph system includes three main function parts,they are data acquisition, data analysis and output display.Among them, data analysis and output display are completely realized by the computer software system, only the data acquisition is completed by hardware under the function of the software.This paper mainly completes the design to the software system.The softwaredesigned by LabVIEW based on graphic language by the United States.The virtual oscillograph we designed consists data acquisition, paremeter measurement, wave read modules and wave storage modules. The main performance of this oscillograph is that it has two channels input,wave storage and measurement of the parameter of voltage,time and frequency. Give full play to the computer powerful functions and software design flexibility.The hardware of this design is the PCI2003 of Art, this card is based on PCI bus.The Resolution is 12 bit,sampling rate is 100kHz.Key Words Oscillograph Virtual instrument Data acquisition LabVIEW第1章 绪论1.1虚拟仪器介绍1.1.1 虚拟仪器的发展历程 20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。 美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 “软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器。IO部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。1.1.2虚拟仪器概念所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果;利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理;利用I/O接口设备完成信号的采集测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机测试系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。1.1.3 虚拟仪器技术虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。1.1.4 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。硬件获取测试对象的被测信号。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集器(DAQ)等。电子计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。测试软件控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。软件开发平台为支撑。仪器驱动、接口软件和应用程序。 虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、机械工程、建筑工程、铁路交通、生物医疗、教学及科研等诸多方面。 1.1.1.5 虚拟仪器的分类 虚拟仪器包括硬件和软件两大部分。硬件主要是获取现实世界的被测信号, 提供信号传输的通道。而软件是控制要实现的数据采集、 分析、 处理、显示等功能, 并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。虚拟仪器的软件在基本硬件确定以后, 就可以通过不同的软件实现不同的虚拟仪器系统功能。软件是虚拟仪器系统的关键, 没有一个优秀的控制分析软件, 很难想象可以构成一台理想的虚拟仪器系统。虚拟仪器通常按虚拟仪器的接口总线不同, 分为数据采集插卡式虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、 USB 虚拟仪器、 GPIB虚拟仪器、 VXI 虚拟仪器、 PXI虚拟仪器和最新的 IEEE1394 接口虚拟仪器。 1.1.6 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类。在虚拟仪器中, 计算机处于核心地位。计算机软件技术和测试系统的结合, 形成了一个有机整体,使得仪器的结构概念和设计思想等都发生了突破性的变化。从构成和功能上来说, 虚拟仪器就是利用现有的计算机, 配上相应的硬件和专用软件, 形成既有普通仪器的基本功能, 又有一般仪器不具备的特殊功能的高档低价新型仪器;从使用上来说, 虚拟仪器利用强大的图形化开发环境, 建立直观、灵活、 快捷的虚拟仪器面板, 可以有效地提高仪器的使用效率。虚拟仪器仅是一种功能意义上的仪器,是具有仪器功能的软硬件组合,它并不强调物理上的实现形式。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的, 概括起来有以下几个方面: ( 一) 丰富和增加了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、 显示、 存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理, 充分利用了计算机强大的数据处理、 传输和发布能力, 使得组建系统变得更加灵活简单。 ( 二) 突出 “软件即仪器” 的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件所代替, 由于减少了随时间可能产生漂移, 需要定期校准的分立式模拟硬件, 加上标准化总线的使用,大大提高了测量精度、测量速度和可重复性。 ( 三) 仪器由用户定义。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用的源代码库,可以方便地修改仪器功能和面板, 设计仪器的通信、 定时和触发功能, 实现与外设、网络及其他应用的连接, 给了用户充分发挥自己能力和想象力的空间。 ( 四) 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准, 用户可以将仪器的设计、 使用和管理统一到虚拟仪器标准, 使资源的重复利用率提高, 功能易于扩展, 管理规范, 生产维护和开发费用降低。 ( 五) 便于构成复杂的测试系统,经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用, 又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统,进行远程测试、监控与故障诊断。此外, 用基于软件体系结构的虚拟仪器代替硬件体系结构的传统仪器, 还可以大大节约仪器购买和维护费用。1.2 虚拟仪器现状与发展 1.2.1虚拟仪器的现状虚拟仪器是计算机管理的数字化仪器系统，因此，依据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信和管理，并与计算机系统共同工作运行的仪器系统，目前多数属于虚拟仪器系统，它的典型特征是不可脱离计算机而独立工作。在信号源类虚拟仪器系统中，种类不是很多，主要有DA卡系统和任意波发生器，另外还有函数发生器、合成信号源等。在测量仪器类虚拟仪器系统中，则有许多种类，其中最主要的是AD卡系统和数据采集系统，另外还有数字存储示波器、瞬态记录仪、数字化仪、数字多用表、频率计数器、信号分析仪、相位计、失真仪、噪声分析仪、阻尼计等多种。原则上，非虚拟仪器里的仪器，都可以用虚拟仪器方式实现，但在大功率领域以及射频微波领域里的仪器设备，虚拟仪器实现比较困难，模块也较少；低频领域，以及小功率领域里，虚拟仪器已经具有了良好的发展态势。目前，主流的虚拟仪器主要是VXI、PXI、各种计算机总线(如PCI、ISA、RS232、USB)等总线标准的各种插卡和仪器模块，间或有少数其他总线形式的仪器模块，工作方式多是插入各种总线式仪器机箱内或直接插入计算机主机箱内，少数情况下是独立模块以接口形式接入计算机。它们多数属于中低频范围，主要是工程应用类仪器设备，射频微波类以及高准确度类仪器设备较少。由于一部分虚拟仪器模块及系统(如数据采集系统)早在虚拟仪器概念提出之前就已经存在，所以，虚拟仪器概念的建立、提出和发展，一直是围绕着现有仪器设备的功能和性能，逐步强调和加大软件在仪器中的地位和作用，并以软件技术代替硬件技术为核心进行，逐渐将非虚拟仪器虚拟化。1.2.2.虚拟仪器的应用利用虚拟仪器技术，用户可定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，易于构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研开发、检测计量、测量测控等领域更是不可多得的好工具。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据。在工业控制领域，大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。当今社会信息技术的迅猛发展，无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。进一步讲，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。1.2.3.虚拟仪器技术的发展 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志，一是VXI总线标准的建立和推广，VXI总线系统具有标准化、通用化、系列化、模块化的显著特点，它集测量、计箅、通信功能于一体，不仅继承了GPIB智能仪器和VME总线的特点，还具有高速、模块化、易子使用等优势二是图形化编程语言的出现和发展前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。(1) 硬件技术的发展要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时处理能力和可靠性，很重要的一点取决于传输测量数据的总线结构通用仪器总线GPIB于1978年问世，实现了计算机与测量系统的首次结合它标志着测量仪器从独立的手工操作单台仪器走向程控多台仪器的自动测试系统，是虚拟仪器技术发展的第一阶段在虚拟仪器中，其分析功能是由计箅机来完成的，或由计算机来控制的因此，接口、总线的速度和可霏性是关键 1987年GPIB仪器总线与VME微机总线结合，诞生了VXI标准仪器总线，使得用户可以像仪器厂商一样，从访问寄存器这样的低层资源来设计和安排仪器功能，也使得用户化仪器功能设计得以实现VXI总线的出现，使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。目前已出现了用于射频和微波领域的高端VXI仪器。当然，采用普通PC总线，尤其是工业PCI总线的虚拟仪器也在不断发展，这类虚拟仪器主要面向一般工业控制、过程监测和实验室应用。(2) 软件技术的发展软件技术的发展和有关国际标准的建立，是推动虚拟仪器技术发展的决定性因素之一。在GPIB接口总线出现以后，关于程控仪器的句法格式、信息交换协议和公用命令的标准化，一直是人们关心的问题 标准程序命令(SCPI)标准的建立，向解决程控命令与仪器厂家无关这一目标迈进了重要的一步，随着虚拟仪器思想的深入，用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展的客观需要 过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计，缺乏标准，使得用户在仪器软件方面的投资得不到保护为此，国际上专门制定r虚拟仪器软件体系结构(VISA)标准，建立了与仪器接口总线无关的标准IO软件，使得不同总线结构的硬件产品在相互取代时不必重新编写驱动程序，VISA 标准与 LabVIEW、HP VEE、LabwindowscVI等先进开发环境软件相适应开发一个由用户定制的虚拟仪器在软件技术上已经成熟可以预计，未来的电子测量仪器和自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想1.2.4 虚拟仪器的未来趋势-网络化随着计算机技术、电子技术、网络通信技术的进步和不断拓展，21世纪的仪器概念将是一个开放的系统概念计算机和现代仪器已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网络 如果在测控系统中有更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，比如各种智能仪器、虚拟仪器及传感器等，它们充分利用目前己比较成熟的Internet网络的设施，不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓宽其应用的范围 “网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势计箅机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为方便 以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广 在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步目前，在我国虚拟仪器设计、生产、使用也已经起步我国有几家企业正在研制PC虚拟仪器，产品已达到一定的批量，国内专家预测：未来的几年内，我国将有50 95的仪器为虚拟仪器，届时，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测随着微型计算机的发展，各种有关软件不断诞生，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流1.2.5.虚拟仪器未来的发展自从National Instruments公司率先提出虚拟仪器概念至今已有15年在这15年里，NI逐步改革了全世界工程师和科学家们测量和自动化的方法今天，全世界的工程师和科学家们正在成千上万个应用系统中使用“虚拟仪器”，从而达到了缩短开发时间、提高产品品质并降低生产成本的共同目的同时，虚拟仪器技术也正在趋于成熟和完善此外，互联网也已经使数据共享进入了新的阶段，加速了虚拟仪器的新网络技术及远程计算技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的虚拟仪器技术很好地利用了互联网的功能，因此，可以将来自测量或控制设备中的数据直接发布到Web网页上，或是用手持式的数字助理工具读取数据，甚至还可以将数据输出到手机上使用虚拟仪器技术，可以使用互联网的强大功能远距离控制的仪器设备，或是与远在其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义随着互联网和无线技术的不断发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识和经验巩固开发过程每个阶段工程师们的努力成果商业科技的发展浪潮将会继续，同时也会将虚拟仪器技术推向新的水平因此，性能的提高将会更容易实现，从而节省宝贵的开发及系统集成时问，同时又比传统仪器测量方案成倍降低成本没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但是有一点可以肯定Pc机与其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心，而有了它的帮助将会更成功总之虚拟仪器技术，使现代测控的系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强大 无论是测量、钡4试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是其他更为广泛的测控领域，虚拟仪器都是理想的高效率的解决方案随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器技术也会在各领域中发挥其重要作用，他将在促进科技进步创造良好的社会效益和巨大的经济效益方面发挥卓越的作用，并表现出强大的生命力，它必然会对科技发展和工业生产产生不可估量的影响。第2章 虚拟示波器设计基础 2.1 示波器的分类及主要技术指标2.1.1 模拟示波器 在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管(CRT)。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上口在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮. CRT限制着模拟示波器显示的频率范围口在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓漫移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局)巨作用的是CRT的写速度.当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极)巨频率约为1GHZ。 当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统.设置垂直标度（对伏特/格进行控制)后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。 随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动.亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的.正电压弓起点向上运动，而负电压引起点向下运动。 图 2-1 图 2-2 信号也经过触发系统，启动或触发水平扫描口水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。如果速度足够高，亮点每秒钟扫过屏幕的次数高到500000次。 水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。触发器能够稳定实现重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。参照图2-1。 另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。为显示”实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。2.1.2 数字示波器 与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息.它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。(参看图2-2。) 数字示波器分为数字存储示波器(DSO)、数字荧光示波器(DPO)和采样示波器。 数字的手段则意昧着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。对重复的信号而言，数字示波器的带宽，是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为3dB点。对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。 图2-32.1.3 数字存储示波器 常规的数字示波器是数字存储示波器(DSO)。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。 数字存储示波器(DSO)便于您捕获和显示那些可能只发生一改的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理口波形没有必要是连续的;即使信号已经消失，仍能够显示出来口与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式口然而，DSO没有实时的亮度级；因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图2-3所示。随后将对串行处理体系作讲解。串行处理体系结构 与模拟示波器一样，DSO第一部分(输入)是垂直放大器.在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器(ADC)部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟诀定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统诀定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理口微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。图2-4 在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。DSO提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力（参看图2-4）。DSO是低重复率或者单脉冲、高速多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。图2-52.1.4 数字荧光示波器 数字荧光示波器(DPO)为示波器系列增加了一种新的类型。DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力，加速重构信号。DSO使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如图2-5所示。DPO采用ASIC硬件构架捕获波形图象，提供高速率的波形采集率，信号的可视化程度很高。它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。随后将对该并行处理体系结构进行阐述。串行处理体系结构 DPO的第一阶段(输入)与模拟示波器相似(垂直放大器)，第二阶段与DSO相似(ADC)。但是，在模数转换后，DPO与原来的示波器相比就有显著的不同之处。 对所有的示波器而言，包括模拟、DSO和DPO示波器，都存在着释抑时间。在这段时间内，仪器处理最近捕获的数据，重置系统，等待下一触发事件的发生。在这段时间内，示波器对所有信号都是视而不见的。随着释抑时I的增加，对查看到低频度和低重复事件的可能性就会降低。 请注意，由显示的更新速率简单地推断采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠显示更新速率，就确认示波器能采集到波形的所有相关信息，那么是很容易犯错误的，因为，实际上示波器并没有作到。数字存储示波器串行处理采集到的波形。由于微处理器限制着波形的采集速率，所以微处理器是串行处理的瓶颈。 DPO把数字化的波形数据进一步光栅化，存入荧光数据库中。每1/30秒，这大约是人类眼睛能够觉察到的最快速度，存储到数据库中的信号图象直接送到显示系统。波形数据直接光栅化，以及直接把数据库数据拷贝到显存中，两者共同作用，改变了其他体系在数据处理方面的瓶颈。结果是增加了”使用时间”，增强显示更新能力。信号细节、间断事件和信号的动态特性都能实时采集。DPO微处理器与集成的捕获系统一道并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的捕获速度. DPO如实地仿真模拟示波器最好的显示属性，并在三维显示信号：时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化，三者都是实时的口模拟示波器依靠化学荧光物质，与此不同，DPO使用完全的电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。针对示波器显示屏幕的每一个点，数据库中都有独立的“单元（cell）”。一旦采集到波形（即波器触发)，波形就映射到数字荧光数据库的单元组内。每一个单元代表着屏幕中的某位置。当波形涉及到该单元，单元内部就加入亮度信息；没有涉及到则不加入。因此，如果波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐步累积。当数字荧光数据库传淤(示波器的显示屏幕后，根据各点发生的信号频率的比例，显示屏展示加入亮度形式的波形区域，这与模拟示波器的亮度级特性非常类似。DPO也可以显示不断变化的发生频率的信息，显示屏对不同的信息呈现不同的颜色，这一点与模拟示波器不同。利用DPO，可以比较由不同触发器产生的波形之间的异同，例如，比较某波形与第们口号触发器产生波形的区别。 数字荧光示波(DPOJ突破模拟和5字示波器技术之间的障碍。它同时适合观察高频和低频信号、重复波形，以及实时的信号变化。只有DPO实时提供Z（亮度)轴，常规的050已经丧失了这一功能。图2-6 对那些需要最好的通用设计和故障检测工具以适合大范围应用的人来说，DPO是一个理想工具。DPO典型应用有：通用模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。图2-72.1.5 数字采样示波器 当测量高频信号时，示波器也许不能在一改扫描中采集足够的样值口如果需要正确采集频率远远高于示波器采样频率的信号，那么数字采样示波器是一个不错的选择(参看图2-8）。这种示波器采集测量信号的能力要比其他类型的示波器高一个数量级.在测量重复信号时，它能达到的带宽以及高速定时都十倍于其他示波器。连续等效时间采样示波器能达到50GHZ的带宽。 与数字存储和数字荧光示波器体系结构不同，在数字采样示波器的体系结构中，置换了衰减器/放大器于采样桥的位置，参照图2-7。在衰减或放大之前对输入信号进行采样。由于采榭刁电路的作用，经过采样桥以后的信号的频率已经变低，因此可以采用低带宽放大器，其结果，整个仪器的带宽得到增加。 然而，采样示波器带宽的增加带来的负面影响是动态范围的限制。由于在采样门电路之前没有衰减器/放大器，所以不育趁对输入信号进行缩放。所有时刻的输入信号都不能超过采样桥满动态范围。因此，大多数采样示波器的动态范围者l)民制在1丫的峰值-峰值。另一方面，数字存储和数字荧光示波器却能够处理50到100伏特的输入。图2-8另外，采样桥的前面不能增加保护二极管，否则会限制带宽。因此，采样示波器的安全输入电压大约只有3V，相对而言，其他示波器可以高达500V。2.2 软件开发平台LabVIEW及相关硬件介绍2.2.1 LabVIEW概述 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在LabVIEW中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。 2.2.2 LabVIEW编程环境及其特点 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件！现在的图形化主要是上层的系统。第3章 硬件系统的设计3.1虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器系统是由计算机、 硬件平台和应用软件组成的。从构成方式讲 ,则有以数据采集卡(DAQ)和信号调理电路组成的 PC - DAQ测试系统;以 GPIB、 VXI、 串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的 GPIB 系统、VXI系统、 串行总线系统、 现场总线系统等。无论哪种虚拟仪器系统 ,都是将硬件仪器搭载到各种计算机平台上 ,再加上应用软件而构成的。目前通常采用的方法是在计算机上插入数据采集卡 ,用软件在屏幕上生成仪器面板 ,用软件进行信号分析处理等。我们采用 PCI总线技术开发了虚拟仪器系统硬件平台 ,其基于 PCI总线的数据采集卡包括信号调理和数据采集两部分 ,数据采集卡结合计算机数据处理软件可以构造各种虚拟仪器。数据采集卡直接插入计算机的 PCI总线扩展槽中 ,数据传输速度快 ,控制方式灵活 ,能适应不同的测试需求。由 PCI总线数据采集卡构成的虚拟仪器性能价格比高 ,设计手段灵活 ,通用性强 ,应用前景广阔。图3-1为虚拟仪器系统构成框图。测控对象信号调理数据采集软件平台数据处理图形显示文件管理数字滤波 图 3-13.2虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台包括计算机资源(处理器、 存储器、 显示器等)和(A/ D转换器、 数字输入输出设备、 定时器等) ,它与用于数据分析、 过程通信及图形用户界面的软件有效结合起来形成完整的虚拟仪器设备。工作时先把由传感器变换来的电信号 ,输入仪器的信号调理电路 ,经信号调理电路进行放大、 整形 ,然后再经数据采集电路存入内存。整个过程由软件控制 ,采集到的数据由软件进行数据分析和处理。就是说 ,仪器功能的实现在很大程度上取决于应用软件功能的设计。通过不同功能模块的设计 ,实现各种仪器的功能 ,如:示波器、 万用表、 分析仪等。此即是 “软件即仪器” 的概念。下面是本文虚拟示波器的硬件平台设计。3.2.1虚拟示波器的硬件组成 虚拟示波器的仪器硬件主要由计算机接口电路、 高速数据采样电路、 采样触发电路以及模拟信号调理电路等组成。其中信号调理电路、 数据采样电路和 PCI总线接口电路是硬件设计中最为重要的部分。3.2.2信号调理电路的设计信号调理电路是将被测信号进行调理和放大以供数字电路进行采样。它主要由信号调整电路、 阻抗变换电路、 电压控制放大电路和触发电路组成。图3-2 为信号调理电路结构图。被测信号信号调整阻抗变换压控放大电平位移A/D转换D/A转换控制电压触发输入比较触发触发脉冲 图 3-2 信号调整电路主要是对输入信号进行交直流耦合及对信号进行放大或衰减 ,以使信号满足放大电路的输入信号电平要求。示波器的输入信号频带为直流到几十兆赫兹的交流信号范围 ,电平从5mv至20v ,该电路要求对输入信号进行相应调整的同时 ,不改变信号的频率性质 ,对外要呈现出高达 1M 的输入阻抗 ,以保证不对产生输入信号的外电路造成影响。因为放大电路具有较小的输入阻抗 ,而调整电路又有较大的输出阻抗 ,所以信号不能直接进入放大电路 ,必须先进行阻抗变换。该电路可由运放组成的跟随器来完成 ,它将高阻的输入信号变为低阻输出 ,从而去驱动具有低输入阻抗的放大电路。 信号放大电路是信号调理电路的核心 ,它将输入信号放大成为最大值为 2 .5v的的信号。此电路的频率特性直接关系到整个调理电路的通频带 ,同时它还必须具有良好的信号限幅功能 ,以使放大后的信号不超过 A/ D 转换器的输入极限值。 触发电路是将不同参数的信号转换为幅度固定的触发矩形脉冲 ,用矩形波的边沿触发逻辑控制电路的工作。 根据实际需要还可以增加传感器调理电路 ,因为各种传感器具有各自独特的特性 ,如对于热电偶就需要进行冷节补偿 ,对其非线性化输出进行线性化处理等。3.2.3数据采样电路模拟信号A/D转存存储器及控制电路功能控制电路触发信号时序控制电路PCI总线接口 该电路能够接收计算机的控制指令以不同的采样速率对信号调理电路的模拟输入信号进行采样 ,最高采样频率可达到20MS/ S ,实现采样值的存储 ,实现示波器的时基选择功能 ,实现各种触发采样方式和计算机通信等功能。图3-3为数据采样电路结构图。 图 3-3 数据采集硬件与很多因素相关 ,这里先介绍采样频率、 分辩率等通用的特性。采样频率高 ,就能在一定时间获得更多的原始信号信息 ,为了再现原始信号 ,必须有足够高的采样频率。如果信号变化较快或采样太慢 ,就会产生波形失真。根据奈奎斯特理论 ,采样频率至少是系统元件最高频率的两倍 ,才能保证恢复的波形不失真。另外 ,A/ D转换器的位数越多 ,分辩率越高 ,可区分的电压就越小。 A/ D转换电路和高速存储电路是采样电路的核心部分 ,也是硬件设计中的难点。采用 A/ D 转换器的变换速率越高 ,则整个仪器的最大数字化速率越高 ,有效存储带宽越宽。因此为满足仪器的较高采样速率要求 ,从采样频率、 分辩率、 存储带宽等方面综合考虑 ,尽量选用高速 A/ D转换器和高速静态存储器。如我们可以选用 AD9058A/ D转换器和 CY 7C128A 静态存储器。AD9058 模数转换器是美国模拟器件公司的产品 ,具有高速度、 低功耗、 双通道、输入电容低、 具有内部参考电压、 外围电路简单等优点；CY 7C128A静态存储器具有速度快、 耗电省、 TT L 电平兼容等特点 ,是一种理想的用于虚拟仪器的数字存储器。AD9058完成一次模数转换的时间是 12ns ,CY 7C128A完成一次数据写入的时间是15ns ,这样可使数据采集单元的最大数字化频率达到50MSPS。 时序控制电路在虚拟仪器硬件平台的设计中起着至关重要的作用 ,由计算机通过接口电路发出的控制字必须通过时序控制电路的译码 ,才能变为控制信号加到各个芯片的控制端。在时序控制电路中 ,时序的正确与否直接影响采样电路能否正常工作。例如采集输入的模拟信号 ,应按照以下的顺序进行:采样输入信号 数据转换 数据保持 存储器地址稳定 存储器写入 再一次采样。只有严格地按照这样的顺序进行采集的数据 ,才能保证在恢复显示时读出数据的顺序与写入顺序保持一致 ,从而恢复出不失真的波形。 功能控制电路的主要作用是管理 3 种采样触发方式 ,即正常采样触发方式、 正延迟采样触发方式和负延迟采样触发方式。3.2.4PCI总线接口电路 总线接口电路采用 P LX公司的专用芯片完成 PCI总线的接口转换 ,而且 PCI总线与微处理器无关的特性 ,使之可在符合 PCI规范的各种微机中进行硬件移植 ,以满足各种不同的需要。PCI总线的传输速率可达 132MB/ S ,其优异的性能 ,保证了虚拟仪器采集数据的高速传输。第4章 软件系统的设计4.1 拟采用方案本设计是基于Labview的虚拟示波器的设计，利用图形化编程语言可以实现仪器具有波形显示，读